新款三轮运动车动力及传动系统设计

田 锐，张伟珊，李桂华

(1.清远职业技术学院，广东 清远 511510;2.清新联统实业有限公司，广东 清远 511510;3.广东省轻工业技师学院，广州 510300)

由于道路拥挤、油价上涨的影响，汽车与摩托车的完美结合——三轮汽车开始在国际各类车展中崭露头角。应欧美顾客的需要，开发设计一款新款三轮运动车(图1)，采用前置后驱的倒三轮的结构，搭载1100 cc 直列水冷四冲程汽油机，该车型吸取了摩托车的优点，兼容了汽车的优势。为保证三轮汽车的驱动力，使驾驶员享受驰骋的运动感受，匹配的动力及传动系统设计是非常重要的，在此重点就二次传动系统设计进行分析论述。

图1 新款运动车的CATIA 样车模型

1 发动机的选择

合理的动力总成选型，可使整车的设计更趋合理，同时提高设计的效率。新款运动车发动机选型的主要原则:功率足够大，同时兼顾油耗、噪声等指标，可靠性好，尺寸尽可能小，操纵方便，排放达标。

1.1 基本形式的选择

至今世界上绝大多数的汽车都是采用往复活塞式内燃机，其中汽油机的转速高、升功率高、转矩适应性较好、轮廓尺寸及质量较小、便于布置、振动及噪声较低和适于高速运转等特点，因而绝大多数轿车采用汽油机，虽然近二三十年来在极少数汽车上采用了转子发动机、燃气轮机、高能蓄电池和电动机等动力装置。但从目前的情况来看，在相当长的时期内，往复式汽油机仍将是汽车发动机的主要型式［1］。

按照汽油机气缸排列型式，分为直列、水平对置和V 型等，直列式的结构简单、维修方便、造价低廉、工作可靠、宽度小、易布置，因而在排量不大的轿车上得到了广泛应用;按照汽油机冷却方式，分为水冷式和风冷式，水冷发动机冷却均匀可靠，散热好，气缸变形小，缸盖、活塞等主要零件的热负荷较低，可靠性高，因此，绝大多数的汽车都采用了水冷发动机。

综上所述，新款运动车采用直列式水冷汽油机。

1.2 主要性能指标的选择

1.2.1 最大功率Pe max及其相应转速np

发动机功率愈大则汽车的动力性愈好，但功率过大会使发动机功率利用率降低，燃料经济性下降，动力传动系的质量也要加大。因此，应合理地选择发动机功率。

Pemax可根据所要求的最高车速vamax按下式计算出［2-3］:

其中:Pemax为发动机最大功率;ηT为传动系的传动效率，这里取约0.98;ma为汽车总质量，因为只有3 个轮，质量比较小，这里初步设定为150 kg;g 为重力加速度，这里取9.8 m2/s;f为滚动阻力系数，良好路面上的滚动阻力系数为0.014;vamax为最高车速，根据设计目标，最高车速要达到150 km/h;CD为空气阻力系数。

在此得出发动机最大功率为28.8 kW，约比外特性的最大功率值低12% ～20%，这是选择发动机类型的一个重要指标。

1.3 确定型号

新款运动车的对象定位为玩家一族，所以要求有较好的动力性，在选择发动机时，要求有较高的功率和扭矩;随着环保、节能要求的加强、四冲程摩托车发动机以其结构可靠性、废气排放污染低、省油节能等特点得到了广泛的应用;并且受到现有条件约束，不可能采用进口的发动机，发动机的选择只能面向国内选择。因此，根据运动车预定最高车速为150 km/h，发动机的最大功率为28. 8 kW，由此初选发动机的型号［4］——川畸1100cc 汽油机作为试样机。

2 传动系统设计

新款运动车搭载川畸摩托车1100cc 发动机，自带六速变速器，一次传动装置的传动比为1∶1，因此，需对二次传动装置结构进行设计。

2.1 二次传动装置的作用及结构布置

二次传动装置可以进一步降速增扭，更合理地利用发动机的动力，提高新款运动车的适应性和经济性，在动力传递中需要一定的中心距补偿，起到缓冲发动机与后驱动轮之间的震动。

为了适应不同车型和使用要求，二次传动装置有多种结构型式，常见的有带传动、齿轮传动、链传动和轴传动。其中链传动适合于中心距较远的传动，并能自动适应长度和角度的变化，结构紧凑，只需狭长的空间，安装布置方便。因此选择二次传动装置的结构型式为链传动。

2.2 二次传动比iⅡ的选择［5］

在款运动车上由于空间位置的限制和结构布置的需要，一次传动装置和变速器均与发动机固联而构成一个整体，二次传动装置则独立于发动机之外，二次传动比的变化范围相对较大，设计的灵活度也较大。由于二次传动比属于传动系统总传动比的一部分，因此二次传动比的大小对于整车的动力性和经济性能具有很大影响。

新款运动车搭载川畸摩托车发动机属于四缸发动机、排量1100cc，能提供较大、较快、较平稳的转矩，最小传动比对转矩影响较大。最小传动比过小发动机在重负荷下工作，加速性不好，易出现噪声与振动。最小传动比过大，经济性变差，高速运转噪声大。综合考虑，新款运动车的二次传动比选为iⅡ=2.286。

3 链传动主要零件设计

3.1 链条的设计

新款运动车的二次传动装置的链传动借鉴了摩托车的链传动，通常采用的是单排滚子链，滚子链属于标准零件，根据GB1243.1—83 规定，我国采用的链号与相应的国际标准链号一致，链号数乘以25.4/16 mm 即为节距值。

链滚子链和链轮啮合的基本参数是节距p、滚子外径d1和内链节内宽b1。节距是滚子链的主要参数，用来进行链条传动的设计计算，特别是链长、中心距、链轮尺寸、齿形等的几何计算。

3.1.1 链条型号的选择

选择链条的型号实际上就是确定链条的节距值。在一定条件下，链条的节距越大，其承载能力就越高，但传动的多边形效应也要增大，但是振动、冲击、噪声也越严重。为了使传动结构紧凑，寿命长，应尽可以选取较小的节距的链条。

可直接根据发动机的气缸容积来确定链条的节距，见表1［6］。

表1 链条的节距p 的选择

本车的发动机排量为1 100 mL，为了使传动结构紧凑，寿命长，选取p=15.875 mm。滚子外径d1=10.16 mm［7］。

3.1.2 链轮的中心距

链轮的中心距a0一般按公式初选:a0= (40 ～50)p，a0=635 mm。根据结构的尺寸布置，取a=630 mm。

3.2 链轮的设计

链轮的基本参数是配用链条的节距p、滚子的最大外径d1及齿数Z1、Z2。

3.2.1 主、从动链轮齿数Z1、Z2 的选择

主动链轮Z1对链条传动的平稳性和使用寿命有很大的影响，因此选择主动链轮Z1要适宜。主动链轮Z1小时可以减小其外形尺寸，便于安装，但Z1过小会导致传动的不均匀性和动载荷会增大，使链条的磨损加剧。因此增大Z1对传动是有利的，而且链条节距不变时，增大Z1会使传递的功率加大。但如果选的Z1过大时，从动大链轮齿数也将增大，从而增大了传动的尺寸和重量，易于因链条节距的伸长而发生跳齿和脱链现象，同时会缩短链条的使用寿命。

综合考虑，主动链轮Z1齿数通常取为13 ～15。由于链条的链节数通常是偶数，为了使链轮和链条都磨损均匀，一般Z1应是与链节数为质数的奇数。新款运动车的主动链轮Z1选为14。根据二次传动比iⅡ=2.286，求从动链轮齿数Z2:Z2= Z1×iⅡ，适当协调后Z2=32。

3.2.2 链轮毂孔的选择

链轮毂孔的最大许用直径dkmax，可参照表2 选取［5］，在确定了链条的节距和链轮齿数后，再根据齿侧凸缘最大直径，并考虑到键和轮毂强度而确定。必须大于链轮安装处的轴径，若不能满足要求时，应重新选择链条传动参数。

表2 链轮毂孔的最大许用直径dk max(mm)

链轮安装处的轴径d =29 mm，经查表dkmax=30 ～37 mm。dkmax＞29 mm，故满足条件。

3.2.3 滚子链链轮轴向齿廓尺寸

齿宽bf1=0.95b1(b1—内链节内宽)，计算得bf1=9 mm

3.2.4 链轮的结构和材料

一般来说，主动链轮的直径小，故制成整体式，从动链轮的尺寸大些，制成孔板式。链轮的材料应能保证轮齿有足够的耐磨性和抗冲击强度。主动小链轮一般用低碳合金钢制造，从动链轮一般低碳钢、低碳合金钢或中碳钢制造。因此链轮的材料采用40Cr，齿面硬度可达HRC40 ～50。

4 结束语

新款三轮运动车主要面向欧美的运动车爱好者，对动力性能和经济性能要求较高，在保证功率，同时兼顾油耗、噪声等指标，且可靠性好，排放达标，因此分析选择了川畸1100cc汽油机作为试样机;根据空间位置的限制和结构布置的需要，着重计算分析二次传动系统，并对链传动的主要零件进行了设计，使摩托车与发动机得到较好的匹配性。

［1］李德宽.汽车工程手机·摩托车篇［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］胡建华.中国家用轿车发动机选型探讨［J］.世界汽车，1997(5):13-15.

［3］刘惟信.汽车设计［M］.北京:清华大学出版社，2001.

［4］余志生.汽车理论［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［5］董敬. 摩托车结构设计［M］. 北京:人民邮电出版社，1997.

［6］《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册摩托车篇［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［7］王义行.自行车链条与摩托车链条［M］.北京:机械工业出版社，1999.